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LAM | 包含精细光阻隔阵列的Micro-LED背光显示器设计，有效消除相邻像素之间光串扰

2022-06-23 16:16

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

近年来，微小型发光二极管（Micrometer-scale LED, Micro-LED）显示技术由于在亮度、对比度、寿命、响应时间等方面存在显著的优势，受到业界的广泛关注。然而， Micro-LED 技术在全彩化方面仍然存在一些挑战，直接采用红、绿和蓝光 Micro-LED 是目前的常规方案，但是，红、绿和蓝光 Micro-LED 芯片在发光效率及稳定性上存在显著差异，这不可避免带来了Micro-LED背板设计开发方面的挑战。

鉴于此，研究人员提出了下转换全彩化策略，即只利用蓝光 Micro-LED 芯片，结合量子点等材料的下转换发光来实现全彩显示，由于该策略电致发光仅依赖于单色Micro-LED，驱动电路设计及色稳定性问题可以得到显著改善（拓展阅读：《量子点/钙钛矿色转换：让显示更出色》）。然而，由于 Micro-LED 发光视角较大（1/2亮度视角>160°），相邻像素之间存在较大的光串扰风险，对显示器的显示色域具有不良影响。

近日，来自北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授、尹勇明博士联合TCL华星研发团队提出了一种包含精细光阻隔阵列的 Micro-LED 背光显示器设计，有效的消除了相邻像素之间的光串扰，进一步搭配红光和绿光量子点材料，成功实现了色域高达 122% NTSC 的 Micro-LED 全彩显示器，显示器件架构及显示效果如图1所示。

图1：顶发射量子点色转换Micro-LED显示器架构及显示效果图

该成果以 Alleviating the crosstalk effect via a fine-moulded light-blocking matrix for colour-converted micro-LED display with a 122% NTSC gamut 为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

1 量子点色转换：让Micro-LED更出色

量子点具有色纯度高、发光颜色可调和荧光量子产率高等诸多优良的光电特性，成为一类非常重要的发光材料，在显示及照明领域都受到了广泛的关注。尤其在提升显示面板的色域方面，具有巨大的潜力，从量子点材料被报道以来，就受到了显示面板行业的广泛关注。针对量子点色转换 Micro-LED 方面，诸多学者已经开展了相关的探究，2020 年，我们基于底发射的蓝光 Micro-LED，与 CsPbBr₃ 及 CdSe 量子点结合，成功实现了色域高达 127% NTSC 的 Micro-LED 全彩显示器。在本研究中，我们进一步基于顶发射的 Micro-LED 架构，将包含光阻隔阵列的蓝光 Micro-LED 与量子点色转换基板相结合，首次实现了无串扰的量子点色转换 Micro-LED 全彩显示器，显色色域达到 122% NTSC。这些结果很好地证实了量子点在提升 Micro-LED 色彩表现方面的巨大优势。

2 量子点色转换核心挑战：光串扰风险

然而，要真正实现高色域的量子点转换 Micro-LED 全彩显示器并不简单，需要克服诸多挑战。其中一个关键的挑战就是光串扰风险，这主要是由于 Micro-LED 较大的发光视角导致的。如图2a所示，所采用的蓝光 Micro-LED，其 1/2 亮度视角 >160°，如此大的发光视角，导致其侧向光具有激发相邻色转换层的风险（如图2b），从而导致串扰的发生。如图2c，直接将包含红绿光色转换层的基板与未作任何处理的蓝光 Micro-LED 背光进行队组实验，只点亮蓝光像素位置的 Micro-LED，红绿像素也被点亮，该结果进一步证实了严重串扰的存在。

图2：蓝光Micro-LED视角特性及色转换串扰效果

3 精细光阻隔阵列：串扰解决方案

考虑到串扰问题主要是相邻 Micro-LED 之间光的干扰所导致的，因此我们推测在相邻 Micro-LED 之间引入黑色阻光材料（如图3所示），将彼此之间的发光进行隔离，或许能有效的消除光串扰。针对这一设想，我们利用 LightTools 展开了系统的光学模拟，模拟结果表明引入合适的光阻隔材料（Tr% @ 460 nm < 1%）即可将串扰控制在 1% 以内，目标显示器的显示色域有望达到120% NTSC。

图3：包含黑色光阻隔材料的蓝光Micro-LED背光示意图

4 模压黑胶+等离子刻蚀：成功制备光阻隔阵列

鉴于 Micro-LED 背光显示器精细的结构，要在微米尺度范围内的 Micro-LED 间隙之间引入光阻隔材料是一个重大挑战。针对这一目标，如图4所示，我们设计了模压结合等离子刻蚀、喷墨打印及钢网印刷三种技术路线。结果表明，只有模压结合等离子刻蚀的方案，成功将黑色光阻隔材料引到了 Micro-LED 背光显示中，既实现了有效的光阻隔，同时保证了正向发光的有效出射。将包含光阻隔的蓝光 Micro-LED 背光显示器与量子点色转换基板进行对组，成功获得了无串扰的色转换显示效果，所制备的显示器显示色域高达 122% NTSC。

图4：三种光阻隔阵列制备路线示意图及实际效果

5 总结与展望

量子点色转换全彩显示应用作为一个实现全彩显示的新型方案，在实现超高显示色域方面具有无可比拟的优势。将蓝光 Micro-LED 与量子点结合制备全彩显示器，可以最大程度的发挥彼此的优势。顶发射量子点色转换 Micro-LED 全彩显示器的成功制备，对于进一步推动量子点的色转换应用以及 Micro-LED 全彩化技术的发展，具有非常积极的作用。